Adv. Mater. 由竹簡啟發的高能量密度柔性可穿戴Li-O2電池

柔性電子產品有著可彎曲、便攜式、可折疊、可耐磨的優點，是可用于新一代的電子設備的非常有應用前景技術，或將徹底改變我們的日常生活。而電子能夠跟柔性電子設備的能量存儲／轉換設備很好地匹配，是柔性電子得以廣泛應用的關鍵。目前可用的柔性的功率設備，包括可充電的鋰離子電池、柔性太陽能電池、還有超級電容器，它們的能量密度太低，基本上都不符合下一代柔性電子的要求。

相比于上面提到的鋰離子電池和超級電容器等，新興的可充電鋰氧（Li-O2）的電池或許會是柔性電子應用的理想選擇，它具有顯著的理論能量密度，高達3600 W h/kg，這比最先進的鋰離子電池高出將近5-10倍。

然而，由于Li-O2電池仍處于起步階段，雖然相關研究已經改善了它的電化學性能，但是幾乎所有的研究都是基于剛性塊體結構的研究：一塊紐扣電池或世偉洛克設計，其中沉重的電活性惰性的包裝材料，比如不銹鋼殼或工程塑料，這些組件是為了確保Li-O2電池里面的正極、負極、隔膜的緊密接觸，也是為了避免液體電解質的泄露，組件占了多數電池的質量，這不僅大大降低了Li-O2電池的實際能量密度，也不能滿足下一代柔性可穿戴電子設備的要求。

最近，中國科學院長春應用化學研究所的稀土資源利用國家重點實驗室的張新波課題組在Advanced Materials上報道了一種新型的柔性可穿戴Li-O2電池結構（如圖1），這個Li-O2電池的結構類似于竹簡但是它的可軋制性卻優于竹簡，它可以從任意方向卷起來，這賦予了電池非常好的柔性（如圖5），編織結構賦予了電池透氣性，正極由一個聚丙烯膜和疏水凝膠聚合物的電解質保護著，可以避免接觸濕氣和水分而產生的隱患，所以即使電池金如到水里也可以正常運作（如圖2、圖4所示），這是前所未有的研究發現。緊密交織的正極和負極消除了對空氣擴散層以及包裝固定材料（這些占了常規電池質量的主要比例）的需要，所以這整個電池免去了包裝材料，只包括一個正極，一個GPE膜和一個空氣負極。少了包裝材料，電池總質量減小，整個鋰氧電池的實際能量密度也得到了顯著的提高。除此之外，制備出來的Li-O2電池還具有優異的電化學性能（如圖3所示）。

圖1 受到中國古代的竹簡的啟發，制備出來的柔性可穿戴鋰氧電池的示意圖

圖2 涂覆有碳納米顆粒（b）的原始碳線（a）的SEM圖像；（c）制備得到的GPE膜以及它對應的SEM圖像（d）；（e）GPE與水的接觸角；（f）Li正極浸入水中的圖片

圖3 ?a）充放電過程的機理示意圖；b）柔性可穿戴Li-O2電池的倍率性能；c）柔性可穿戴Li-O2電池的充放電曲線；d）柔性可穿戴Li-O2電池的循環特性；e）原始狀態的碳線負極的SEM圖；f）首次放電條件下，碳線負極的SEM；g）原始狀態和首次放電條件下碳線負極的XRD圖譜

圖4 ?a-f）在商業發光二極管充電并進行各種彎曲和扭轉的條件下，柔性可穿戴Li-O2電池的光學圖像; g）各種彎曲和扭曲條件下，柔性可穿戴式Li-O2電池的首次放電曲線；h）各種彎曲和扭曲條件下，柔性可穿戴式Li-O2電池的平均放電電壓和容量的對比圖；i）各種彎曲和扭曲條件下，柔性可穿戴Li-O2電池在商用紅色發光二極管供電下，浸泡在水中的示意圖

圖5 ?a）放電電壓和能量密度和b）基于放電曲線對不同類型Li-O2電池的能量密度的粗略比較

圖6 制備得到的柔性耐磨Li-O2電池與服裝的結合圖

作者在竹簡的結構的啟發下，成功地設計出了一種高能量密度的Li-O2電池，竹簡式電池能在浸泡在水中的條件下正常運作，這是前所未有的。它的柔性和可穿戴性也非常強，可以滿足下一代的柔性可穿戴產品的要求。最重點的是，它的能量密度高達523Wh／kg，遠遠高于目前其它類型的Li-O2電池（比如紐扣電池、電纜型電池、軟包型電池等等），但是要到達Li-O2電池的理論能量密度還有一段很長的路要走，“路漫漫其修遠兮”，這需要所有的科學工作者的進一步探索。

文獻鏈接：A Flexible and Wearable Lithium–Oxygen Battery with?Record Energy Density achieved by the Interlaced?Architecture inspired by Bamboo Slips

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